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莱特北斗教学教你更好的学习GPS原理及应用这门课程随着中国北斗事业的不断发展，国家北斗行业的人才缺失，国家正大力培养北斗卫星导航相关的人才，现各大高校已经开设了相关课程，最基础最入门的一个课程GPS原理及应用一、GPS原理GPS卫星定位基本原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。 实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。GPS定位的各种常用的观测量:1) L1载波相位观测值2) L2载波相位观测值3) 调制在L1上的C/A-code伪距4) 调制在L2上的P-code伪距5) Dopple观测值GPS定位的分类：1) 按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 2) 按接收机的运动状态，可分为动态定位、静态定位。在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位； 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。 二、GPS应用1、GPS在大地控制测量中的应用GPS定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于大地控制测量中。时至今日，可以说GPS定位技术已完全取代了常规测角、测距手段建立大地控制网。我们一般将应用GPS卫星定位技术建立的控制网叫GPS网。归纳起来大致可以将GPS网分为两大类：一类是全球或全国性的高精度GPS网，这类GPS网中相邻点的距离在数千公里至上万公里，其中主要任务是作为全球高精度坐标框架或全国高精度坐标框架，为全球性地球动力学和空间科学方面的科学研究工作服务，或用以研究地区性的板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是区域性的GPS网，包括城市或矿区GPS网，GPS工程网等，这这类网中的相邻点间的距离为几公里至几十公里，其主要任务是直接为国民经济建设服务。1） 全球或全国性的高精度GPS网；2） 区域性GPS大地控制网。所谓区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。这类网的的特点是控制区域有限（或一个市或一个地区），边长短（一般从几百米到20km），观测时间短（从快速静态定位的几分钟至一两个小时）。由于GPS定位的高精度、快速度、省费用等优点，建立区域大地控制网的手段我国已基本被GPS技术所取代。就其作用而言分为建立新的地面控制网；检核和改善已有地面网；对已有的地面网进行加密；拟合区域大地水准面。2、GPS在精密工程测量及变形监测中的应用精密工程测量和变形监测，是以毫米级乃至亚毫米级精密为目的的工程测量工作。随着GPS系统的不断完善，软件性能不断改进，目前GPS已可用于精密工程测量和工程变形监测。1） GPS用于建立精密工程控制网的可行性；目前我国精密工程控制网，一般都用ME5000测距仪和T3精密光学经纬仪来施测。2） GPS用于工程变形监测的可行性；工程变形监测通常要达到毫米级或亚毫米级的精度，而监测的边长一般为3001000m。在这样短的边长上，GPS能否达到上述精度呢？3） 隔河岩水库大坝外观变形GPS自动化监测系统隔河岩水库位于湖北省长阳县境内，是清江中游的一个水利水电工程隔河岩水电站。隔河岩水电站的大坝为三圆心变截面重力拱坝，坝长653m，坝高151m。隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统于1998年3月投入运行，系统由数据采集、数据传输、数据处理三大部分组成。4） GPS在机场轴线定位中的应用近年来，GPS还普遍用于电子加速器的工程施工控制测量，大桥施工控制网建立，海上勘探平台沉降监测，大桥墩动态实时形变监测，高层建筑实时变形监测等。3、GPS在线路勘测及隧道贯通测量中的应用线路勘测、管线测量及隧道贯通测量是铁路、交通、输电、通讯等工程建设中重要的工作。以往大多采用传统的控制测量、工程测量方法进行控制网建立及施测，由于该类测量控制网大多以狭长形式布设，并且很多工程穿越山林，周围已知控制点很少，使得传统测量方法在网形式布设、误差控制等多方面带来很大问题。同时传统方法作业时间也比较长，直接影响了工程建设的正常进展。自从将GPS技术引入该领域以来，使其测量效率及测量精度得到可喜的提高，本节将以西安南京线GPS控制网、秦岭某隧道贯通GPS网及北京地铁精密导线GPS复测为例，介绍GPS技术在线路勘测及隧道贯通等测量中的应用。1） 线路GPS控制网的建立传统的线路测量一般采用导线法，在初测阶段沿设计线路布设初测导线。该导线既是各专业开展勘测的控制基础，也是进行地形测量的首级控制，所以要求相邻导线点通视。在该线路测量中应用GPS技术的形式是沿设计线路建立狭带状控制网。目前主要有两种情况，一种是应用GPS定位技术替代导线测量；一种是应用GPS定位技术加密国家控制点或建立首级控制网。在实际生产中较多的用了后者。2） 长隧道GPS施工控制网隧道施工控制网是为隧道施工提供方向控制和高程控制的，一般由洞口点群和两洞口之间联系网组成。4、GPS在地形、地籍及房地产测量中的应用地形测图是为城市、矿区以及为各种工程提供不同比例尺的地形图，以满足城镇规划和各种经济建设的需要。地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点的位置，同时测绘供土地和房产管理部门使用的大比例尺的地籍平面图和房产图，并量算土地和房屋面积。用常规的测图方法（如用经纬仪、测距仪等）通常是先布设控制网点，这种控制网一般是在国家高等级控制网点的基础上加密次级控制网点。最后依据加密的控制点和图根控制点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。GPS新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。RTK技术的原理已在第五章中阐述。应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据（如基准点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到四颗卫星后，可以实时地求解出百米级的流动站动态位置。这比GPS静态、快速静态定位需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。故RTK技术一出现，其在测量中的应用立刻受到人们的重视和青睐。1）RTK技术用于各种控制测量常规控制测量如三角测量、导线测量，要求点间通视，费工费时，而且精度不均匀，外业中不知道测量成果的精度。GPS静态、快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各种控制测量，但是需要事后进行数据处理，不能实时定位并知道定位精度，内业处理后发现精度不合要求必须返工测量。而用RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果，又能实时知道定位精度。这样可以大提高作业效率。应用RTK技术进行实时定位可以达到厘米级的精度，因此，除了高精度的控制测量仍采肜GPS静态相对定位技术之外，RTK技术还可用于地形测图中的控制测量，地籍和房地产测量中的控制测量和界址点点位的测量。地形测图一般是首先根据控制点加密图根控制点，然后在图根控制点上用经纬仪测图法或平板仪测图法测给地形图。近几年发展到用全站仪和电子手簿采用地物编码的方法，利用测图软件测绘地形图。但都要求测站点与被测的周围地物地貌等碎部点之间通视，而且至少要求23人操作。采用RTK技术进行测图时，仅需一人背着仪器在要测的碎部点上呆上一、二秒钟并同进输入特征编码，通过电子手簿或便携微机记录，在点位精度合乎要求的情况下，反一个区域内的地形地物点位测定后回到室外内或在野外，由专业测图软件可以输出所要求的地形图。用RTK技术测定点位不要求点间通视，仅需一个操作，便可完成测图工作，大大提高了测图的工作效率。2）RTK技术在地籍和房地产测量中的应用地籍和房地产测量中应用RTK技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍与房地产图，同上述测绘地形图一样，能实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入GIS系统，可及时地精确地获得地籍和房地产图。但在影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带，应使用全站仪、测距仪、经纬仪等测量工具，采用解析法或图解法进行细部测量。在建设用地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界桩位置，确定土地使用界限范围，计算用地面积。利用RTK技术进行勘测定界放样是坐标的直接放样，建设用地勘测定界中的面积量算，实际上由GPS软件包中的面积计算功能直接计算并进行检核。避免了常规的解析法放样的复杂性，简化了建设用地勘测定界的工作程序。在土地利用动态检测中，也可利用RTK技术。传统的动态野外检测采用简易补测或平板仪补测法。如利用钢尺用距离交会、直角坐标法等进行实际丈量，对于变通范围圈套的地区采用平板仪补测。这种方法速度慢、效率低。而应用RTK新技术进行动态检测则可提高检测的速度和精度，省时省工，真正实现实时动态监测，保证了土地利用状况调查的现实性。5、GPS在公安、交通系统中的应用随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理高度，警用车辆的指挥和安全管理已成为公安、交通系统中的一个重要问题。过去，用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备，由调度中心向车辆驾驶员发出调度命令，驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的大概位置，而在生疏地带或在夜间则无法确认自己的方位甚至迷路。因此，从调度管理和安全管理方面，其应用受到限制。GPS定位技术的出现给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时的定位能力。通过车载GPS接收机使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将GPS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来。目前，用于公安、交通系统的主要有：车辆GPS定位与无线通信系统相结合的指挥管理系统；应用GPS差分技术的指挥管理系统。下面介绍这两种管理系统的工作原理与设备构成。1） 车辆GPS定位管理系统车辆GPS定位管理系统主要是由车载GPS自主定位，结合无线通信系统将定位信息发往监控中心（即调度指挥中心），监控中心结合地理信息系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经研制成功的如车辆全球定位报警系统，警用GPS指挥系统等。分别用于城市公共汽车调度管理，风景旅游区车船报警与调度，海关、公安、海防等部门对车船的调度与监控。2） 应用差分GPS技术的车辆管理系统若采用一般差分GPS技术，每辆车上都应接收差分改正数，这样会造成系统过于复杂，所以实际应用中多采用集中差分技术，其工作原理如图10-10。工作原理：每一辆车都装有GPS接收机和通信电台，监控中心设在基准站位置，坐标精确已知。基准点上安置GPS接收机，同时安装通信电台、计算机、电子地图、大屏幕显示器等设备。工作时，各车辆上的GPS接收机将其位置、时间和车辆编号等信息一同发送到监控中心。监控中心将车辆位置与基准站GPS定位结果进行差分求出差分改正数，对车辆位置进行改正，计算出精确坐标，经过坐标转换后，显示在大屏幕上。这种集中差分技术可以简化车辆上的设备。车载部分只接收GPS信号，不必考虑差分信号的接收。而监控中心集中进行差分处理，显示、记录和存储。数据通信可采用原有的车辆,通信设备，只增加通信转换接口即可。由于差分GPS设备能够实时地提供精确的位置、速度、航向等信息，车载GPS差分设备还可以对车辆上的各种传感器（如计程仪、车速仪、磁罗盘等）进行校准工作。3） 应用前景汽车是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，据统计，仅几个发达国家的汽车保有量已达数亿辆。我国民用汽车保有量也有数千万辆。因此车辆导航将成为未来20年中全球卫星定位系统应用的最大的潜在市场之一。预计到2000年，全世界用于车辆导航的总投资额将达到30亿美元，占当年GPS应用总投资额的1/3。在我国，特种车辆约有几十万辆。有关部门要求首先对运钞车、急救车、救火车、巡警车、迎宾车等特种专用车辆实现全程监控、引导和指挥。目前使用车载GPS接收机进行自主定位的车辆很少，大量的开发应用热点在监控调度系统上。车载GPS导航设备在应用上的发展方向，应当着重多卫星系统、远距离监控以及多功能显示等几个方面。使用多卫星系统，如GNSS系统（该系统在2000年后将成为综合导航定位系统），进行